מה זה פרוסיליקון ניטריד
פרוסיליקון ניטריד הוא סגסוגת ברזל המבוססת בעיקר על סיליקון ניטריד (Si3N4), יחד עם ברזל חופשי, סיליקון לא-חנקן וכמות קטנה של רכיבים אחרים. הוא משמש כתוסף נושא חנקן בייצור פלדה ובייצור עקשן. דרגות עקשן מסופקות כאבקה אוף-לבן או חומה, בעוד שדרגות ייצור פלדה הן בדרך כלל חומר גרגירי או-לבן, מכיוון שהתוסף חייב להתמוסס בהמסה ולא לבנות מבנה עקשן.
החומר אטרקטיבי בחנות ההיתוך מכיוון שהוא פועל בשלוש דרכים בו-זמנית: הוא מכניס חנקן, הוא מתנקז, ותוצרי הפירוק שלו עוזרים להסיר חמצן מהפלדה המותכת. החנקן שהוא מספק הוא החלק השולט בחוזק, התנהגות הזדקנות ויכולת הריתוך של המוצר המוגמר.
איך חנקן נכנס לפלדה המותכת
כאשר ניטריד פרוסיליקון גרגירי צולל לתוך ההמסה, הניטריד מתפרק ומשחרר חנקן שמתמוסס בפלדה הנוזלית. סיליקון וברזל עוברים לתוך הפלדה או לתוך הסיגים, והחנקן שנשאר בתמיסה זמין ליצירת ניטרידים במהלך התמצקות וקירור. מכיוון שמסיסות החנקן יורדת בחדות עם התמצקות הפלדה, חנקן שאינו מקובע על ידי יוצר ניטריד חזק יכול להישאר בתמיסה בין תשתיות ולנוע מאוחר יותר, המהווה שורש לבעיות ההזדקנות המתוארות להלן.
לכן תרגול ההוספה חשוב לא פחות מהניתוח של התוסף. חומר גרגירי עם חלק בגודל מבוקר מתמוסס מהר יותר ונותן התאוששות חנקן ניתנת לחזרה יותר מאשר מוצר גס או מופרד בכבדות, והמסה נטולת חמצון מחזיקה חנקן בצורה יעילה יותר מאשר חומר שעדיין רותח עם חמצן.
צורות מוצר וגודל גרגר
פרוסיליקון ניטריד מדורג בעיקר לפי קוטר גרגר, מכיוון שחלק הגודל קובע באיזו מהירות התוסף מתמוסס במצקת או בתבנית. מפרט גרגירי טיפוסי מוצג להלן; עמודת האחוזים מציינת את השיעור של המוצר שחייב להיכנס לתחום הגודל הנקוב.
| טופס מוצר | קוטר גרגר | עובר את הטווח הנקוב |
|---|---|---|
| דגן עדין | 3~5 מ"מ | מעל 90% |
| דגן מצוי | 3~10 מ"מ | מעל 90% |
| דגן גס | 10~50 מ"מ | מעל 90% |
אבקה וצורות גרגירים עדינות עדיפות שבהן החנקן חייב להתפזר במהירות ובאופן שווה, למשל בברזל נושאי חנקן ובפלדת סיליקון מכוונת, בעוד שגרגירים גסים יותר מתאימים לחום גדול יותר ולטבילה עמוקה יותר.
השפעות מועילות של חנקן על פלדה מותכת
חנקן אינו פשוט טומאה. בכמויות מבוקרות זוהי תוספת סגסוגת מכוונת עם מספר השפעות שימושיות.
חנקן משתלב עם אלומיניום, ונדיום, ניוביום וטיטניום ויוצרים ניטרידים וקרבוניטרידים עדינים המצמידים גבולות גרגרים ומעדנים את המבנה היצוק והמתגלגל.
במוט חיזוק כגון HRB400, משקעים בעזרת חנקן מעלים את חוזק התפוקה כך שניתן להגיע לאותה רמת חוזק עם פחות תוספת פחמן וסגסוגת.
בפלדת סיליקון מכוונת, חנקן משתתף במערכת המעכבים השולטת בצמיחת גרגירים במהלך העיבוד, התומכת בתכונות המגנטיות של הגיליון הסופי.
חנקן מגביר את ההתנגדות לריכוך בטמפרטורה גבוהה בכמה דרגות פלדה, מכיוון שהניטרידים הנוצרים יציבים בטמפרטורות שבהן הקרבידים יתגבשו.
פרוסיליקון ניטריד גם משחרר את ההמסה, כך שהוא תורם לפלדה נקייה יותר לצד החנקן שהוא מספק.
השפעות מזיקות של חנקן וכיצד הם נשלטים
מעל לרמה שהפלדה יכולה לתקן כניטרידים יציבים, חנקן משתנה מאלמנט סגסוג שימושי למקור של פגמים.
הזדקנות: חנקן שנותר בתמיסת ביניים משקע לאט כמו ברזל ניטריד. המשקעים מעוותים את סריג המתכת ויוצרים מתח פנימי, כך שהפלדה הופכת שבירה עם הזמן וקשיחות ההשפעה והפלסטיות שלה נופלות. חנקן מעלה את הרגישות להזדקנות זן זה; זה לא משפר את העמידות אליו, ותכולת זרחן גבוהה מחמירה את ההשפעה.
שבירות כחולה: כאשר פלדה עם תכולת חנקן גבוהה מחוממת לטווח של 250 עד 450 מעלות, פני השטח שלה הופך לכחול בזמן שהחוזק עולה וקשיחות ההשפעה יורדת. יש לקחת בחשבון אובדן משיכות זה בטווח החום הכחול בכל פעם שרכיב נוצר או מיושר חם.
יכולת ריתוך: ככל שתכולת החנקן עולה, ביצועי הריתוך מתדרדרים. נקבוביות, התקשות באזור מושפע החום ואובדן הקשיחות הם ההשלכות הרגילות, ולכן פלדות נושאות חנקן זקוקות להליך ריתוך המותאם לכימיה שלהן.
תיקון בעיית הביניים: הוספת כמות מבוקרת של אלומיניום לפלדה יוצרת AlN יציב, שמגביל את היווצרות ומשקעים של Fe4N. זה משפר את ביצועי ההזדקנות, ובמקביל, חלקיקי AlN מגבילים את הצמיחה של גרגרי אוסטניט.
הכלל המעשי הוא שיש לציין חנקן, לא רק לקבל. טווח חנקן מטרה, תוספת מותאמת של יוצר ניטריד ורמת אלומיניום מבוקרת הופכים יחד חנקן ממקור פגם לכלי מחזק.
שאלות נפוצות
ש: למה משמש פרוסיליקון ניטריד בייצור פלדה?
הוא משמש להוספת חנקן לפלדה מותכת, לניקוי חמצון מההמסה ולתמוך בחיזוק משקעים ועידון גרגירים בפלדות נושאות חנקן כגון מוט חיזוק ופלדת סיליקון מכוונת.
ש: מה המשמעות של הכינוי FeSi3N4?
הוא משקף את המרכיב העיקרי של הסגסוגת, סיליקון ניטריד (Si3N4), המספק את החנקן. חומר מסחרי מכיל גם ברזל חופשי, סיליקון ללא חנק- ורכיבים מינוריים, כך שתכולת החנקן של המוצר מצוטטת בנפרד מהניתוח של סיליקון ניטריד טהור.
ש: מה גורם להזדקנות בפלדה נושאת חנקן?
חנקן שנשאר בתמיסת ביניים משקע באיטיות כניטריד ברזל לאחר הקירור. המשקעים מעוותים את הרשת ומגבירים את הלחץ הפנימי, כך שהגמישות וקשיחות ההשפעה יורדת עם הזמן, במיוחד כאשר גם הזרחן גבוה.
ש: מהי שבירות כחולה?
זהו אובדן קשיחות ההשפעה המתרחש כאשר פלדה עם חנקן גבוה מחוממת ל-250 עד 450 מעלות בערך, הטווח שבו פני השטח מקבלים גוון תחמוצת כחול. החוזק עולה בזמן שהקשיחות יורדת, לכן יצירת ויישור חמים מצריכים טיפול.
ש: איך אלומיניום עוזר כאשר חנקן גבוה?
אלומיניום הוא יוצר ניטריד חזק. זה מתחבר עם חנקן כדי ליצור AlN יציב במקום לתת Fe4משקע N מאוחר יותר, מה שמשפר את עמידות ההזדקנות ומצמיד את גבולות הגרגיר האוסטניט במהלך החימום.
ש: כיצד יש לאחסן פרוסיליקון ניטריד?
שמור אותו יבש, באריזה אטומה או בבונקר מכוסה, בנפרד מסגסוגות ברזל אחרות. איסוף הלחות משנה את ההתאוששות האפקטיבית של החנקן ויכול לגרום למוצר הגרגירי להתגבש, אשר לאחר מכן ניזון בצורה לא אחידה לתוך ההמסה.